植物莖尖分生組織是決定植物生長(zhǎng)、發(fā)育、形態(tài)和產(chǎn)量的關(guān)鍵部位。G蛋白β亞基（Gβ）作為調(diào)控莖尖分生組織動(dòng)態(tài)的重要因子，其具體作用機(jī)制長(zhǎng)期不明。近日，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院師愷教授課題組在國(guó)際知名期刊ThePlant Cell上在線發(fā)表了題為The G protein β subunit SlGB1 regulates tyramine-derived phenolamide metabolism for shoot apex growth and development in tomato的研究論文，揭示了G蛋白β亞基（Gβ）SlGB1通過(guò)bHLH79/MYB10-THT5/8通路調(diào)控酚酰胺代謝，進(jìn)而影響番茄莖尖生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)制。
該研究發(fā)現(xiàn)，在雙子葉植物番茄中，Gβ亞基純合突變體（Slgb1-3, Slgb1-4）莖尖分生組織壞死，幼苗死亡的表型；而可存活的雙等位基因突變系（Slgb1_d6i1, Slgb1_d6d1）則表現(xiàn)出莖尖形態(tài)建成異常，導(dǎo)致果實(shí)及種子變小，顯著降低產(chǎn)量。這一現(xiàn)象在單子葉植物玉米和水稻中也有類(lèi)似報(bào)道，但在雙子葉模式植物擬南芥中未觀察到。
通過(guò)多組學(xué)整合分析和液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Slgb1突變體中酪胺衍生的酚酰胺類(lèi)物質(zhì)顯著上調(diào)，尤其是N-p-香豆酰酪胺（N-P-CT）和N-阿魏酰酪胺（N-FT）積累量激增，高達(dá)野生型的200倍。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，THT5和THT8是催化N-P-CT和N-FT合成的關(guān)鍵酶，其基因在Slgb1突變體中顯著上調(diào)，且THT8的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致莖尖死亡、植株矮小。值得注意的是，在番茄、玉米和水稻等Gβ突變體純合致死的物種中均存在THT介導(dǎo)的酚酰胺代謝途徑，而該途徑在擬南芥中完全缺失，這揭示了物種間Gβ調(diào)控機(jī)制的顯著差異。
進(jìn)一步的蛋白互作及轉(zhuǎn)錄調(diào)控實(shí)驗(yàn)揭示，SlGB1作為WD40蛋白，在細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)中與bHLH79互作，從而減弱了bHLH79與MYB10在細(xì)胞核中的互作，最終抑制THT5/8的表達(dá)及N-P-CT、N-FT等酚酰胺類(lèi)物質(zhì)的合成。研究發(fā)現(xiàn)，bHLH79與MYB10的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致酚酰胺積累、莖尖壞死、植株矮小，而myb10純合突變體則表現(xiàn)出酚酰胺含量減少、植株生長(zhǎng)發(fā)育改善的表型。這一機(jī)制揭示了SlGB1通過(guò)細(xì)胞空間互作網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)調(diào)控代謝通路，維持番茄莖尖生長(zhǎng)發(fā)育穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵作用。
此前，師愷課題組已發(fā)現(xiàn)G蛋白α亞基GPA1和β亞基SlGB1可感知光強(qiáng)、CO2濃度、溫度等環(huán)境變化，傳導(dǎo)葡萄糖信號(hào)以調(diào)控番茄對(duì)細(xì)菌性葉斑病及高溫的抗性（Wang et al., New Phytologist, 2022; Wang et al., Plant Physiology, 2024）。在此基礎(chǔ)上，該研究進(jìn)一步揭示了Gβ亞基SlGB1通過(guò)酚酰胺代謝途徑調(diào)控番茄莖尖生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)制，揭示了物種間Gβ功能差異的遺傳基礎(chǔ)，為番茄等作物的株型優(yōu)化提供了新靶點(diǎn)，在優(yōu)化作物莖尖生長(zhǎng)發(fā)育、提高產(chǎn)量方面具有重要的應(yīng)用潛力。
浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院的王嬌博士后、羅倩博士生為該論文的共同第一作者，師愷教授為本文的通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、浙江大學(xué)上海高等研究院繁星科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/plcell/koaf070
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